Hydro - Chủ đề nóng nhất trong ngành sản xuất xi măng (P2)

>> Hydro - Chủ đề nóng nhất trong ngành sản xuất xi măng (P1)

Làm thế nào để có thể thu được Hydro 

Bây giờ, chúng ta nên làm rõ mức tiêu hao nguyên liệu và năng lượng để tạo ra hydro cần thiết. Trước hết, nước là cần thiết để tạo ra hydro thông qua điện phân. Bảng dưới đây trình bày  những lượng nước cần thiết trong các trường hợp thay thế của chúng tôi, và ngoài ra, cả năng lượng điện cần thiết nữa.
  Khi nhìn vào trường hợp 60%, sẽ cần khoảng 250 kg tấn (hoặc 250 triệu lít) nước cho quá trình điện phân. Sẽ cần khoảng 1547 GWh điện năng để thu được 27633 tấn hydro. Đồng thời, sẽ thu được 221063 tấn oxi.

1500 GWh điện năng để tạo ra hydro là một con số rất lớn và đáng nói đến. Tiêu hao năng lượng riêng - với phần hydro là 60% - sẽ vào khoảng 938 kWh/tấn clinker. Tóm lại: Tiêu hao điện năng của một nhà máy xi măng đồng bộ nằm trong khoảng 100 kWh/tấn xi măng. Vì vậy, việc sử dụng ngày càng nhiều hydro tạo ra sự thèm khát điện năng. Vấn đề đặt ra là: Làm thế nào thỏa mãn được sự thèm khát điện năng nhiều hơn? Không nghi ngờ gì về điều đó: Điện năng cho điện phân nước sẽ phải “xanh” để đạt được phát thải thuần bằng 0. Chúng ta có thể tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên cung cấp miễn phí cho chúng ta. Hãy nhìn vào hai nguồn năng lượng như vậy và làm một bài tập khác.

Bùng nổ năng lượng gió

Các tua bin gió cung cấp điện năng xanh. Một tua-bin gió trên bờ điển hình có công suất khoảng 2,5 - 3 MW, và các tua bin gió ngoài biển có công suất khoảng 3,6 MW [14]. Phát điện phụ thuộc vào tốc độ gió. Hãy giả định tốc độ gió trung bình hàng năm là 6,5 m/giây, tua bin gió có công suất 3,5 MW sẽ tạo ra 8.816 MWh [15]. Vì quá trình điện phân nước cần có dòng điện một chiều (DC), nhưng các tua bin gió lại tạo ra dòng điện xoay chiều (AC), các tua bin gió sẽ phải được điều chỉnh. Nếu chúng ta xem xét mức thay thế 10% trong lò nung clinker của chúng ta, chúng ta sẽ phải cần 26 tua bin gió có công suất 3,5 MW để tạo ra đủ năng lượng điện xanh cho sản sinh 4605 tấn hydro. Với mức thay thế 60%, chúng ta sẽ phải cần 152 tua bin gió (Bảng 3).
  Một tua bin gió công suất 3,5 MW có đường kính 82 m, và chiều cao tháp có thể lên tới khoảng 138 m [15]. Một tua bin gió hoạt động hiệu quả nhất khi vận hành với dòng khí ổn định, trơn tru, không thay đổi và không bị gián đoạn. Phải có khoảng cách vừa đủ cho quan sát. Theo quy tắc ngón tay cái, các tua bin gió nên được bố trí cách nhau trong một lưới tọa độ 5Dx10D, với D = đường kính của rotor [16]. Một tua bin đơn sẽ cần khoảng 33,6 ha, và 152 tua bin sẽ tạo ra một “rừng tua bin” 51 km², gấp khoảng 1,5 lần diện tích Dubai. Đây chỉ đơn thuần là sự trở lại phép tính đường bao, nhưng đủ để có được ý tưởng sơ bộ về không gian cần thiết cho một nhà máy xi măng.

Hãy sử dụng các kết quả này về lò nung kiểu mẫu của chúng ta để đưa ra một giả thuyết về sản xuất clinker trên toàn cầu và các nhu cầu đối với điện năng để thu được hydro. Để đơn giản hóa, chúng ta tập trung vào mức thay thế nhiệt 60% trong sản xuất xi măng toàn cầu, mà sẽ tiêu thụ 62 triệu tấn hydro. Để có được khối lượng này, sẽ phải cần 3,47 triệu GWh từ 340.000 tua bin gió có công suất 3,5 MW/tua bin. Hãy thử tưởng tượng diện tích cần thiết để bố trí các tuabin gió này là bao nhiêu: Chúng ta sẽ cần 114.218 km², lớn hơn một chút so với diện tích của Honduras.

Năng lượng mặt trời

Ánh nắng mặt trời không chỉ cung cấp cho chúng ta ánh sáng và sự ấm áp mà còn cung cấp cả năng lượng. Năng lượng mặt trời đạt tới bề mặt trái đất là gần 86 triệu tỷ W. Tổng nhu cầu năng lượng của con người là khoảng 160 triệu tỷ Wh mỗi năm, tương đương với nguồn điện năng 18,2 nghìn tỷ W. Điều này có nghĩa rằng chúng ta nhận được năng lượng từ mặt trời nhiều gấp khoảng 4.750 lần so với năng lượng chúng ta hiện đang sử dụng [3].
Năng lượng được bức xạ và như vậy lượng năng lượng có thể sử dụng phụ thuộc rất nhiều vào thành phần của quang phổ mặt trời, góc chiếu xạ lên bề mặt trái đất và thời gian nắng. Phụ thuộc vào mùa, vĩ độ và thời gian trong năm, năng lượng bức xạ do đó không có cường độ mạnh đều khắp nhau ở mọi nơi trên trái đất. Ở Trung Âu, năng lượng bức xạ là khoảng 1000 kWh/m², trong khi cường độ bức xạ ở Sahara là khoảng 2.350 kWh/m² hoặc hơn.

Điện mặt trời có thể được sinh ra bởi các pin quang điện (PV) hoặc năng lượng mặt trời tập trung (CSP). Đối với các xem xét dưới đây, chúng ta sẽ chỉ tập trung vào PV. Giả định độ bức xạ trung bình hàng năm là 1500 kWh/m² và hiệu suất của các tấm PV là 15%, chúng ta sẽ có diện tích tấm pin yêu cầu như sau:
  Nếu chúng ta ngoại suy các số liệu để đáp ứng 60% nhu cầu hydro (62 triệu tấn) trong sản xuất clinker trên toàn cầu, thì khi đó chúng ta sẽ kết thúc với 20.576 km² tấm pin mặt trời, tương đương với diện tích của Israel hoặc Slovenia.

Một khả năng nữa để sản xuất hydro có thể đạt được về lý thuyết thông qua khí hóa sinh khối và sử dụng metan thu được từ quá trình khí hóa trong quá trình chuyển hóa hơi nước - metan. Mặc dù tiến trình thông thường này không hoàn toàn hiệu quả, các nghiên cứu thêm đang được thực hiện để chiết phẩm hydro hiệu quả hơn, và mức độ sẵn sàng của công nghệ vẫn đang ở trong giai đoạn khởi đầu. Điều này cần có bài báo khác để bàn luận thêm.

Kết luận

Tôi khẳng định rằng hydro sẽ đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế thấp carbon, với sự linh hoạt trong cung cấp nhiệt và, quan trọng nhất là, một phương án khử carbon lớn cho sản xuất clinker trên toàn cầu.

Tuy nhiên, có rất nhiều trở ngại gặp phải liên quan tới việc sử dụng hydro liên tục và bền vững như là một nhiên liệu thay thế trong ngành Xi măng, và cần phải được khắc phục. Rất nhiều vấn đề kỹ thuật trong hệ thống nhiệt của các lò quay phải được xử lý, và rất nhiều điều rắc rối liên quan tới quá trình điện phân nước, và quá trình cung cấp năng lượng mặt trời, gió hoặc năng lượng tự nhiên khác, cũng như quá trình tồn trữ và vận chuyển hydro.

Với rất nhiều hạn chế ở các cơ sở điện gió trong đất liền ở các khu vực đông đúc (ví dụ đủ cách xa khỏi những khu vực xung quanh nhạy cảm với tiếng ồn, đường vào cơ sở thuận lợi, môi trường hoặc thiết kế cảnh quan đặc biệt), các thung lũng gió ngoài biển có thể là giải pháp, hoặc các thung lũng gió ở các vùng sa mạc.

Tác động của PV lên cảnh quan sẽ là ít, vì các hệ thống PV có lợi thế về vị trí lắp đặt so với các công nghệ khác;  ví dụ, PV có thể lắp trên mái nhà. Tuy nhiên, sự thay đổi điện lượng của PV phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết địa phương (mây…), cũng như ban đêm, phải được lưu vào trong bộ đệm để cung cấp dòng điện ổn định cho quá trình điện phân hoạt động liên tục.

Các quá trình sản xuất, phân phối và tiêu thụ hydro không chỉ trong ngành xi măng cho thấy những sự lựa chọn phức tạp giữa phát thải, khả năng mở rộng và, cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là chi phí. Chi phí vẫn còn cao. Theo [18] chi phí trung bình của hydro xanh nằm trong khoảng rất rộng < 2...12 EUR/kg. Về phí tổn đơn vị/năng lượng là khoảng 2...100 EUR/GJ, vượt xa khả năng tài chính khi so sánh với giá than hiện hành (đại khái khoảng 5 EUR/GJ. Theo Cơ quan Tình báo Thị trường Toàn cầu [19] chi phí để tạo ra hydro xanh có thể nằm trong khoảng 1 hoặc 2 USD/kg trong 3 năm tới, là khoảng 8,30...16,60 USD/GJ. Tôi chỉ có thể trình bày điểm quan trọng này hết sức ngắn gọn, vì có rất nhiều điều không chắc chắn liên quan tới điều đó và ý định của tôi là tập trung chủ yếu vào tính khả thi về mặt kỹ thuật.

Tôi đảm bảo rằng các phát triển về kỹ thuật và kinh tế - xã hội cuối cùng sẽ mở đường cho hydro như là một nhiên liệu thay thế bền vững trong ngành Xi măng. Như Abbas và Akritopoulos mới đây đã kết luận: “hydro xanh trong tương lai chủ yếu được sản xuất tại chỗ, sử dụng các bình điện phân lớn được cấp điện bởi năng lượng gió và/hoặc năng lượng mặt trời”. Và “Các nhà máy xi măng trong tương lai có thể sử dụng cả hai nguồn O₂ và H₂ được tạo ra từ bình điện phân tại chỗ, đạt được mục tiêu CO₂ bằng 0 cùng với việc giảm đáng kể chi phí sản xuất H₂ và O₂ - một giải pháp có vẻ hợp lý để áp dụng các nhà máy xi măng trong năm từ năm 2050 trở đi" [20].

Tài liệu tham khảo

1. Rechnen Sie mit Wasserstoff. Die Datentabelle. Linde Gas GmbH, Austria.

2. Irvin Glassman, Richard A. Vetter: Combustion, Fourth Edition, 2008. Elsevier Inc.; ISBN: 978-0-12-088573-2; p28.

3. Sven Plӧger: Zieht euch warm an, es wird heiss. Den Klimawandel verstehen und aus der Krise für die Welt von morgen lernen. Westend Verlag, Frankfurt am Main, 2020. ISBN: 978-3-86489-286-8.

4. Wasserstoff als brennstoff in der zementherstellung. Europäsche Patentanmeldung. EP 3 196 177 Al. Issued: 26.07.2017. Applicant: HeidelbergCement AS.

5. Options for switching UK cement production sites to near zero CO2 emission fuel: Technical and financial feasibility. A report funded by an SBRI Competition:TRN 1674/10/2018. Authors: Mineral Products Association (UK); Cinar Ltd. (UK); VDZ gGmbH (Germany).

6. Obaid Sha: Cement producers explore hydrogen to tackle emission. H2 Bulletin; 18 January 2021. Available at: https://www.h2bulletin.com/cement-producers-hydrogen-emission/

7. Hollemann-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 81.-90. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin, New York 1976, page 45 (the book explains that for obtaining 2m3 of hydrogen (and 1 m3 of oxygen in addition) from electrolysis of water 10 kWh of electrical energy is needed, which is 56 kWh per kg of hydrogen.)

8. HeidelbergCement produces cement with climate-neutral fuel mix using hydrogen technology. 01. October 2021. Available at: https://www.heidelbergcement.com/en/pr-01-01-2021.

9. Cemex successfully deploys hydrogen-based ground-breaking technology. 22 February 2021. Available at: https://www.cemex.com/-/cemex-successfully-deploys-hydrogen-based-ground-breaking-technology

10. IPCC- Intergovernmental Panel on Climate Change: Revised 1996 IPCC Guidelines for Nation-al Greenhouse Gas Inventories, Vol. 3: Reference Manual. 1996.

11. Statista: Clinker capacity in selected countries from 2015 to 2020, Published by M. Garside, August 5, 2021. Available at: https://www.statista.com/statistics/219347/clinker-capacity-worldwide/

12. Global Carbon Atlas, Supported by BNP Paribas: Fossil Fuel Emissions: Available at: http://www.globalcarbonatlas.org/en/CO2-emissions.

13. Odi Akhyarsi, Mohamad Farid Bin Mohamad Sharif, Yuzuru Nada, Takahiro Ito, Susumu Noda: Characteristics of Gaseous and Liquid Fuel Combustion in Laboratory-scale Furnaces. Journal of Environment and Engineering. Vol.5, No.1, pp.157-167 (2010).

14. WindEurope asbl. (Belgium). Available at: https://www.ewea.org/win-energy-basics/faq/

15. Renewables First. The Hydro and Wind Company: How much wind energy could I generate from a wind turbine? Available at: https://www.renewablesfirst.co.uk/wind-power/windpower-learning-centre/how-much-energy-could-i-generate-from-a-wind-turbine/

16. Our World of EnergyTM. (USA): How much land does a wind farm require? Available at: https://www.our-worldofenergy.com/vignettes.php?type=wind-power&id=9
17. Green Rhino Energy Ltd., South Africa. Available at: https://www.greenrhinoenergy.com/solar/radiation/images/World%20Insolation%20Global.jpg

18. The Hydrogen Valley Platform: Hydrogen cost and sales prices. Available at: https://www.h2v.eu/analysis/statistics/financing/hydrogen-cost-and-sales-prices

19. S&P Global Market Intelligence: Experts explain why green hydrogen costs have fallen and will keep falling. 5 March 2021. Available at: https://www.spglobal.com/marketintelligence/en/news-insights/latest-news-headlines/experts-explain-why-green-hydrogen-costs-have-fallen-and-will-keep-falling-63037203

20. Tahir Abbas, Michalis Akritopoulos: Clearing up for decarbonisation. World Cement. October 2021, pp.25-28.